童家麟，齊曉娟，呂洪坤

摻燒高硫煤對(duì)某600 MW機(jī)組鍋爐的影響及運(yùn)行優(yōu)化

童家麟1，齊曉娟2，呂洪坤1

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

電站鍋爐摻燒高硫煤會(huì)給鍋爐運(yùn)行帶來(lái)不利影響。本文通過數(shù)值模擬研究了摻燒高硫煤前后爐內(nèi)貼壁腐蝕性氣氛、煤粉燃盡率、污染物排放等參數(shù)的變化，并對(duì)摻燒高硫煤后煙氣酸露點(diǎn)的變化進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：摻燒高硫煤后，爐內(nèi)貼壁H2S體積分?jǐn)?shù)明顯上升，高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)加大，同時(shí)煤粉燃盡率降低，煙氣酸露點(diǎn)提高；在下層燃燒器層摻燒高硫煤，高金屬壁溫區(qū)域高H2S體積分?jǐn)?shù)區(qū)域面積占比較小，約為35%，較常規(guī)運(yùn)行工況爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)上升約0.35%，固體可燃物質(zhì)量濃度上升約0.4 g/m3，其效果較中、上層燃燒器層摻燒更具優(yōu)勢(shì)。

高硫煤；摻燒；腐蝕性氣體；高溫腐蝕；燃盡率；酸露點(diǎn)；燃燒器；鍋爐

我國(guó)煤炭資源較為豐富，存儲(chǔ)總量居世界第3位，同時(shí)亦是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。隨著我國(guó)電站鍋爐摻燒煤種種類的日益豐富，高硫煤作為一類重要的煤炭資源，其使用也越來(lái)越普遍[1-2]。但高硫煤硫含量較高，在燃燒過程中不僅會(huì)產(chǎn)生大量的SO2氣體造成酸雨污染，而且對(duì)鍋爐運(yùn)行有一定的影響。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)燃用高硫煤對(duì)鍋爐燃燒特性的影響和腐蝕機(jī)理進(jìn)行了較為深入的研究，并得出了許多有意義的結(jié)論。李江等[3]對(duì)某超超臨界鍋爐進(jìn)行了在模擬高硫煤煙氣中的腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明，HR3C鋼具有較好的抗腐蝕性能。應(yīng)冬軍等[4]結(jié)合某電廠對(duì)沖燃燒鍋爐摻燒高硫煤的實(shí)際情況，分析了鍋爐高、低溫腐蝕、環(huán)保排放等問題。董琨等[5]分析了電站鍋爐燃用高硫煤造成的危害，并對(duì)燃用高硫煤的技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的探討。艾晨輝等[6]對(duì)某高硫煤進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室摻燒試驗(yàn)，研究了摻燒比例、煤粉細(xì)度和運(yùn)行氧量等對(duì)混煤性能的影響。但目前國(guó)內(nèi)學(xué)者主要著眼于使用現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法研究燃用高硫煤對(duì)鍋爐性能的影響，受現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的限制和運(yùn)行條件的制約，這類研究方法對(duì)電站鍋爐有效燃用高硫煤的指導(dǎo)性意義不大[7]，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)亦存在與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行偏差較大的問題。

本文使用數(shù)值模擬對(duì)某600 MW機(jī)組亞臨界對(duì)沖燃燒鍋爐摻燒高硫煤前后的爐內(nèi)貼壁腐蝕性氣氛、煤粉燃盡率、污染物排放等參數(shù)的變化進(jìn)行研究，并對(duì)摻燒高硫煤后的煙氣酸露點(diǎn)溫度的變化進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)給出了該鍋爐優(yōu)化摻燒高硫煤的合理化建議，以期為同類型鍋爐優(yōu)化摻燒高硫煤提供參考。

1 鍋爐概況

某電廠3號(hào)鍋爐為亞臨界2045 t/h對(duì)沖燃燒鍋爐，采用上海鍋爐廠有限公司復(fù)合空氣分級(jí)燃燒技術(shù)的低NO煤粉燃燒器，對(duì)應(yīng)的3層燃燒器和燃盡風(fēng)（SOFA）燃燒器中心線標(biāo)高分別為24.2、27.7、31.2、34.6 m。原鍋爐設(shè)計(jì)煤種為內(nèi)蒙古某低硫煙煤，近年來(lái)受煤炭市場(chǎng)及地方能源政策的影響，該鍋爐開始摻燒某高硫洗混煤，其與設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)對(duì)比分析見表1。

表1 煤質(zhì)對(duì)比分析

Tab.1 Quality analysis for the coals

由表1可見，與設(shè)計(jì)煤種相比，高硫洗混煤的水分和揮發(fā)分較低，但灰分和硫分較高，硫分達(dá)到了約2.86%。一般認(rèn)為含硫量接近或高于3%的煤種即為高硫煤[8]，該煤種已接近于高硫煤的標(biāo)準(zhǔn)。

2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分及計(jì)算工況

2.1 網(wǎng)格劃分

圖1為爐膛和燃燒器截面的網(wǎng)格劃分情況。整個(gè)爐膛采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)燃燒、流動(dòng)較為劇烈的燃燒器區(qū)域和燃盡風(fēng)區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格數(shù)大約為300萬(wàn)個(gè)。

由于本文重點(diǎn)研究爐膛主燃燒區(qū)和還原區(qū)貼壁區(qū)域內(nèi)的腐蝕性氣體分布，因此對(duì)該區(qū)域四周水冷壁貼壁200 mm內(nèi)進(jìn)行了網(wǎng)格梯級(jí)加密，具體劃分方法為：設(shè)置網(wǎng)格數(shù)為5，靠近壁面的網(wǎng)格為35 mm，這樣的網(wǎng)格劃分一方面可以很好地反映壁面附近的溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)變化情況，另一方面可以控制爐膛總網(wǎng)格數(shù)，保證數(shù)值計(jì)算速度。計(jì)算所采用模型的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[9]，對(duì)揮發(fā)分氮和焦炭氮的分配可參考文獻(xiàn)[10]。

2.2 計(jì)算工況

本文主要對(duì)摻燒高硫煤前后的4個(gè)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其中工況1為摻燒高硫煤前的運(yùn)行工況（常規(guī)運(yùn)行工況），工況2、工況3和工況4分別為C層燃燒器層（前墻下層燃燒器）、D層燃燒器層（前墻中層燃燒器）和E層燃燒器層（前墻上層燃燒器）摻燒高硫煤的運(yùn)行工況。

模擬計(jì)算中投運(yùn)5層燃燒器，維持爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)為3%，并保持各計(jì)算工況投運(yùn)燃燒器層的總風(fēng)量和總發(fā)熱量相同。模擬計(jì)算用煤為鍋爐設(shè)計(jì)煤種和某高硫洗混煤，工況2、工況3、工況4摻燒的高硫洗混煤量發(fā)熱量占入爐煤總發(fā)熱量的 比例均為20%。煤粉最大粒徑200 μm，最小粒徑20 μm，平均粒徑50 μm，煤粉均勻性指數(shù)為1.1，這樣可滿足煤粉細(xì)度90低于18%。各模擬工況煤量分布見表2。

表2 模擬工況煤量分布

Tab.2 The distribution of coal quantity for simulation t/h

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 爐內(nèi)貼壁腐蝕性氣體分布

圖2、圖3為各計(jì)算工況下層燃燒器層（23.6~24.8 m）、中層燃燒器層（27.1~28.3 m）、上層燃燒器層（30.6~31.8 m）和還原區(qū)（31.8~34.1 m）側(cè)墻水冷壁貼壁區(qū)域(距水冷壁管中心線100 mm處)的H2S體積分?jǐn)?shù)和CO體積分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果。參考文獻(xiàn)[11]，以高H2S體積分?jǐn)?shù)（超過0.01%）和高CO體積分?jǐn)?shù)（超過2%）的區(qū)域面積占計(jì)算區(qū)域面積的百分比大小來(lái)反映爐內(nèi)的易受腐蝕程度。

由圖2可以看出：4個(gè)工況高H2S面積占比變化趨勢(shì)有所不同；而高CO面積占比相差不大且變化趨勢(shì)一致，在主燃燒區(qū)均是隨著爐膛高度的增加，高CO面積占比逐漸增大，這與主燃燒器區(qū)欠氧燃燒有關(guān)；相對(duì)摻燒高硫煤的其他2個(gè)工況，工況4最高H2S面積占比恰出現(xiàn)在上層燃燒器層，且還原區(qū)高H2S面積占比亦大于其他2個(gè)工況。

總體而言，摻燒高硫煤后貼壁高H2S面積占比均較工況1有了較大程度上升，各區(qū)域高H2S面積占比上升幅度在5%~30%之間，爐內(nèi)高溫腐蝕可能性增大。工況2、工況3、工況4最高H2S面積占比的位置亦有所不同，均是出現(xiàn)在噴入高硫煤的燃燒器層。

高溫腐蝕不僅與H2S氣氛有關(guān)，又與金屬壁溫密切相關(guān)，且高金屬壁溫往往出現(xiàn)在上層燃燒器層和還原區(qū)位置[12]。圖3中H2S、CO平均體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)與圖2相同，最高H2S面積占比出現(xiàn)位置亦是最高H2S平均體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)位置。結(jié)合最高H2S面積占比、最高H2S平均體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)位置和金屬壁溫，若摻燒1層高硫煤，工況4的高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)最大。工況2相對(duì)于工況3和工況4，盡管在上層燃燒器層和還原區(qū)高H2S面積占比較小，約為35%，這兩個(gè)區(qū)域高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，但在下層燃燒器層高H2S面積占比達(dá)到了約60%，導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域和冷灰斗區(qū)域高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增大。

綜上，從抑制腐蝕性氣體角度，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量在下層燃燒器層摻燒高硫煤，并可通過適當(dāng)增大下層燃燒器二次風(fēng)量，或者降低下層燃燒器二次風(fēng)旋流強(qiáng)度等手段，減輕下層燃燒器層和冷灰斗區(qū)域高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 煤粉燃盡率

圖4為4個(gè)工況下爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)和固體可燃物質(zhì)量濃度比較。由圖4可以看出：CO體積分?jǐn)?shù)和固體可燃物質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)基本相同；摻燒高硫煤后爐膛出口可燃物質(zhì)量濃度較摻燒高硫煤前均有所升高，工況4較工況1爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)上升約0.28%，固體可燃物質(zhì)量濃度上升約0.8 g/m3，這與高硫煤揮發(fā)分較設(shè)計(jì)煤種低有關(guān)，摻燒低揮發(fā)分煤種更不利于燃盡；相對(duì)于工況3和工況4，工況2的燃盡率較高，爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)較工況1上升約為0.14%，固體可燃物質(zhì)量濃度上升約為0.4 g/m3，說(shuō)明在下層燃燒器層摻燒高硫煤有利于煤粉的燃盡，這與在下層燃燒器層摻燒，較工況3和工況4，高硫煤在爐內(nèi)燃燒時(shí)間較長(zhǎng)有關(guān)；各工況下爐膛出口可燃物質(zhì)量濃度上升幅度都不大，說(shuō)明摻燒高硫煤對(duì)鍋爐效率影響較小[13]。

綜上，從保證煤粉燃盡率角度，應(yīng)盡量在下層燃燒器層摻燒高硫煤。在實(shí)際運(yùn)行中，若大比例摻燒高硫煤，可通過適當(dāng)增加運(yùn)行氧量、降低高硫煤煤粉細(xì)度、優(yōu)化風(fēng)煤比等手段穩(wěn)定爐內(nèi)燃燒和提高煤粉燃盡率[14-15]。

3.3 污染物排放

圖5為4個(gè)工況爐膛出口NO和SO2體積分?jǐn)?shù)比較。由圖5可以看出：摻燒高硫煤后，爐膛出口NO體積分?jǐn)?shù)較工況1上升明顯，上升幅度約在0.08%~0.10%之間，這與高硫煤中氮含量較高有關(guān)；隨著高硫煤噴入位置的升高，爐膛出口NO體積分?jǐn)?shù)有上升趨勢(shì)，主要原因?yàn)樯蠈尤紵鲄^(qū)域煙氣溫度高于下層燃燒器區(qū)域，導(dǎo)致工況3和工況4熱力型NO生成量大于工況2，從控制NO生成量角度分析，在下層燃燒器層摻燒高硫煤更具優(yōu)勢(shì)。

由圖5還可以看出，摻燒高硫煤后，爐膛出口SO2體積分?jǐn)?shù)較工況1上升約0.035%，這與入爐煤含硫量大幅提高有關(guān)。在工況2、工況3、工況4之間，爐膛出口SO2體積分?jǐn)?shù)略有差異，但差別較小。

3.4 低溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

尾部煙道低溫腐蝕是燃煤鍋爐摻燒高硫煤的風(fēng)險(xiǎn)之一。低溫腐蝕的機(jī)理為：在飛灰中的V2O5等催化劑的作用下，SO2被氧化為SO3，在尾部煙道受熱面處，煙氣中的SO3與H2O結(jié)合生成H2SO4。硫酸蒸氣的存在，使得煙氣的酸露點(diǎn)溫度大為提高。一般來(lái)講，需要使得尾部煙道受熱面壁溫高于煙氣酸露點(diǎn)10 ℃，才可保證受熱面不發(fā)生低溫腐蝕[16]。近年來(lái)，隨著節(jié)能減排技術(shù)的推廣和國(guó)家環(huán)保要求的提高，鍋爐排煙余熱利用日益受到發(fā)電企業(yè)關(guān)注，低低溫靜電除塵器、低溫省煤器等設(shè)備的大幅利用，使得鍋爐排煙溫度被降低到約90 ℃[17-18]，特定煤種的煙氣酸露點(diǎn)溫度可由下式計(jì)算得到：

式中：ld為煙氣中的水蒸氣露點(diǎn)，℃；ar(S)為燃料的收到基硫分，%；ar(A)為燃料的收到基灰分，%；ar,net為燃料的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；fh為飛灰占總灰中的份額，%，計(jì)算中取90%。

表3為不同高硫煤摻燒比例下的煙氣酸露點(diǎn)溫度比較。由表3可見，隨著高硫煤摻燒比例的增大，煙氣酸露點(diǎn)溫度隨之上升，全燒高硫煤時(shí)的酸露點(diǎn)溫度較設(shè)計(jì)煤種增大約6.5 ℃，已達(dá)到了約77 ℃，特別在尾部煙道后段，低溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)非常高。該電廠摻燒高硫煤約1年后，發(fā)現(xiàn)備用電動(dòng)引風(fēng)機(jī)煙道已發(fā)生了較為嚴(yán)重的低溫腐蝕現(xiàn)象。尾部煙道的低溫腐蝕是燃煤鍋爐摻燒高硫煤后的一個(gè)不可忽視的問題，在實(shí)際運(yùn)行中，可適當(dāng)提高空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度，以抑制低溫腐蝕。

表3 不同高硫煤摻燒比例下的煙氣酸露點(diǎn)溫度比較

Tab.3 The acid dew point temperature under conditions with different co-firing ratios of high-sulfur coal

4 實(shí)際摻燒結(jié)果

表4為3號(hào)鍋爐在滿負(fù)荷下，下層燃燒器層摻燒高硫煤后的水冷壁典型區(qū)域的H2S體積分?jǐn)?shù)和CO體積分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果。由表4可見，除下層燃燒器區(qū)域外，中、上層燃燒器和還原區(qū)H2S體積分?jǐn)?shù)已有下降趨勢(shì)，在可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明若在下層燃燒器層摻燒高硫煤，其抑制H2S效果較佳，這與本文數(shù)值模擬結(jié)論一致。同時(shí)，爐膛出口NO質(zhì)量濃度約為410 mg/m3，相對(duì)較高，飛灰可燃物質(zhì)量濃度低于2%。

表4 水冷壁典型區(qū)域的H2S體積分?jǐn)?shù)和CO體積分?jǐn)?shù)

Tab.4 The volume fractions of H2S and CO in typical areas near the water wall %

注：A側(cè)1為固定端側(cè)墻靠近前墻測(cè)點(diǎn)；A側(cè)2為固定端側(cè)墻中間測(cè)點(diǎn)；A側(cè)3為固定端側(cè)墻靠近后墻測(cè)點(diǎn)；B側(cè)1為擴(kuò)建端側(cè)墻靠近前墻測(cè)點(diǎn)；B側(cè)2為擴(kuò)建端側(cè)墻中間測(cè)點(diǎn)；B側(cè)3為擴(kuò)建端側(cè)墻靠近后墻測(cè)點(diǎn)。

6 結(jié) 論

1）摻燒高硫煤后，爐內(nèi)貼壁CO體積分?jǐn)?shù)基本不變，但H2S體積分?jǐn)?shù)明顯上升，高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)加大；煤粉燃盡率降低，爐膛出口NO、SO2體積分?jǐn)?shù)上升明顯；煙氣酸露點(diǎn)溫度提高，低溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)亦有所增加。

2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，在下層燃燒器層摻燒，在高金屬壁溫區(qū)域高H2S面積占比較小，約為35%；較常規(guī)運(yùn)行工況，爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)上升約 0.35%，固體可燃物質(zhì)量濃度上升約0.4 g/m3，爐 膛出口NO體積分?jǐn)?shù)亦較中、上層燃燒器層摻 燒時(shí)略低。

3）在實(shí)際運(yùn)行中，若在下層燃燒器層摻燒高硫煤，可通過適當(dāng)增大下層燃燒器二次風(fēng)量或者降低下層燃燒器二次風(fēng)旋流強(qiáng)度等手段，減輕下層燃燒器層和冷灰斗區(qū)域高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，并可適當(dāng)優(yōu)化運(yùn)行氧量、煤粉細(xì)度等改善煤粉燃盡率，同時(shí)應(yīng)提高空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度，以抑制尾部煙道低溫腐蝕。

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Influence of co-firing high suffur coals on operation of a 600 MW unit boiler and the operation optimization

TONG Jialin1, QI Xiaojuan2, LYU Hongkun1

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China; 2. Hangzhou E-energy Technology Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

Co-firing high suffur coals has adverse effects on boilers’ operation. Numerical simulations are conducted to study the combustion characteristics before and after co-firing high suffur coals, such as the corrosive gas near the water wall, the burnout rate and pollutant emission. Moreover, the acid dew point is calculated after co-firing high suffur coals. The results show that, the volume fraction of H2S near the water wall rises and the risk of high-temperature corrosion increases after co-firing high suffur coals. Meanwhile, the burnout rate reduces and the acid dew point increases. When co-firing high suffur coals in lower burners, the area containing high volume fraction of H2S is lower, about 35%. Compared with the conventional operating conditions, the volume fraction of CO rises by about 0.35% and the mass fraction of solid combustibles rises by about 0.4 g/m3. The effects of co-firing high suffur coals in lower burners are better than in intermediate and upper burners.

high suffur coal, co-firing, corrosive gas, high temperature corrosion, burnout rate, acid dew point, burner, boiler

TM621.2；TK16

A

10.19666/j.rlfd.201901017

2019-01-31

童家麟(1986)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娬惧仩t燃燒優(yōu)化技術(shù)，tongjialing@126.com。

童家麟, 齊曉娟, 呂洪坤. 摻燒高硫煤對(duì)某600 MW機(jī)組鍋爐的影響及運(yùn)行優(yōu)化[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(10): 128-133. TONG Jialin, QI Xiaojuan, LYU Hongkun. Influence of co-firing high suffur coals on operation of a 600 MW unit boiler and the operation optimization[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 128-133.

（責(zé)任編輯 馬昕紅）